专利名称：共阴极超声电化学装置

专利类型：发明专利

专利权人：扬州大学

发明人：吴晓歌 刘俊利 侯建华

专利号：ZL201711434340.5

授权时间：2019年10月25日

（1）本发明加速液相质量转递，加快反应速率，增强电化学发光，改变电化学反应产率等作用，更好的发挥超声电化学的效能。

（2）实现了超声换能器的接地端与电解阴极板（-极）的共阴极结构，排除了声极对电解槽

（3）中电场的影响，亦无声极受到腐蚀，不会改变电化学的反应动力学的条件；

可起到电极表面的清洗和除气、电极表面的去钝化、电极表面的侵蚀，加速液相质量转递，加快反应速率，增强电化学发光，改变电化学反应产率等作用。

本发明涉及给水排水领域，高级氧化化学领域，高藻水处理等。

采用本专利装置将高藻水经处理时间60min后，实验水体中的藻毒素浓度下降至0.02µg/L，与相同实验条件下无超声作用的单纯电解处理浓度为1µg/L的含藻毒素水的藻毒素浓度下降至0.02µg/L所需电解电流40mA/cm²、处理时间90min的相比较，本发明所述的共阴极超声电化学装置所需的电解电流较小、处理时间较短，提高了降解水中藻毒素的效能，体现出本发明的优点。

本专利在实验过程中也有取得较为优异的效能，在降低水体藻毒素浓度过程中体现出它所需的电解电流较小、处理时间较短的优势，设备目前正处于推广阶段。

目前，超声电化学反应器大体可分为超声浴槽和探针系统两种类型,两种装置各有特点。利用超声浴槽构建的超声电化学反应器，主要是将超声换能器贴合于内置有阳极板（+极）和阴极板（-极）的电解槽的底部构建而成的。如：西安建筑科技大的洪涛等发明的利用超声电化学制备过一硫酸的方法（专利申请号:2010145135.9）在电解槽中置有纯铂的阳极和铅板的阴极,并由磺酸基阴离子选择膜分隔阴阳极 ,电解槽底部加入超声波。该方法比常规高浓度合成法制备过一硫酸的方法具有方法简便、减少能耗、缩短反应时间和生成氧化剂活性较高等特点。

利用超声探针系统的超声电化学反应器，主要是将利用超声探针（超声头）插入电解槽中的阳极板（+极）和阴极板（-极）之间构建而成的。如：同济大学的赵国华等发明的一种处理废水的超声电化学装置及方法（专利申请号:200710047061.3）利用超声波促进有机污染物的传质过程，同时控制污染物在阳极电极上的吸附量，保持电极的活性，加快电化学氧化反应速率。

虽然上述文献和专利以及类似的技术、专利、方法实现了超声电化学的协同作用的过程，提高了反应效率，但技术仍存在缺陷和不足：

首先，根据电解的基本原理电化学装置的构成主要有直流电源、电极（阴阳极）电解质溶液（或熔融电解质），而现有的超声电化学装置无论是超声浴槽式的还是插入超声头式的电解槽所构成的超声电化学反应器，都在电解槽中的阳极板（+极）和阴极板（-极）之间引入了一由超声头或位于电解槽的底部的超声辐射板新的电极（以下简称声极），这一由能有效传导超声的金属或其他导电/导声材料构成的声极通常是接地的，即阴极接地，以确保电气设备的使用安全。声极的接入事实上改变了电解槽中电场状况，使得电化学的反应动力学条件发生变化，有可能影响电解槽的反应结果。

其次，由于电解槽中电化学和超声空化的作用，声极的材料难以避免的受到腐蚀，造成电解液反应特性的改变，影响反应的结果。

本专利由于实现了超声换能器的接地端与电解阴极板（-极）的共阴极结构，排除了声极对电 解槽中电场的影响，亦无声极受到腐蚀，不会改变电化学的反应动力学的条件；同时可起到电极表面的清洗和除气、电极表面的去钝化、电极表面的侵蚀，加速液相质量转递，加快反应速率，增强电化学发光，改变电化学反应产率等作用，更好的发挥超声电化学的效能。

目前所进行的实验仅是本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。

本发明所述的共阴极超声电化学装置所需的电解电流较小，能耗低，实现了绿色清洁生产；处理时间较短，效率高。可大范围普及使用。同时可在蓝藻爆发时对打捞上来的高藻水进行处理，将蓝藻细胞的藻毒素降低，使得泛滥成灾的蓝藻变为富含高蛋白的有利肥料。不仅可以改善环境问题，还可以变废为宝，处理后的高藻水后续可加工处理进行售卖。

近年来超声电化学的研究发展很快，超声与电化学的结合具有许多潜在的优点。所以本装置将两项技术相结合，十分具有优势。

湖泊碳循环是全球碳循环的重要组成部分，对全球的碳源和碳汇过程以及气候变化有重要影响。对于富营养湖泊水体，蓝藻水华衰亡，伴随着藻源性有机碳的迁移转化会使有机碳在水-土-气三相中迁移转化发生明显改变，显著改变湖泊碳循环强度。因此，蓝藻衰亡过程中，有机碳迁移转化过程是研究的重要过程。而发明装置可在短时间内高效率可将藻细胞藻毒素降低，从而达到蓝藻中的资源化利用的目的。高度契合了如今的“碳达峰”“碳中和”主旋律，具有极大的市场潜力与价值。

本专利2017年申请，2019年授权。相关成果已发表SCI共两篇。

1.Xiaoge Wu, Guofeng Xu, JuanJuan Wang, Ultrasound-assisted coagulation for Microcystis aeruginosa removal using Fe3O4-loaded carbon nanotubes, RSC Advances, 2020, 10: 13525-13531.

2. Xiaoge Wu, Mason, Timothy J., Evaluation of Power Ultrasonic Effects on Algae Cells at a Small Pilot Scale, Water, 2017, 9, 470.